高亮度高純度白光LED封裝技術(shù)研究

l 引言

白光LED是以藍色led為基礎光源，將藍色LED發(fā)出的一部分藍光用來(lái)激發(fā)熒光粉，使熒光粉發(fā)出黃綠光或紅光和綠光，另一部分藍色光透射出來(lái)，與熒光粉發(fā)出的黃綠光或紅光和綠光組成白光。藍色LED發(fā)出的藍色光(發(fā)光峰值波長(cháng)在 430nm或470nm)可與黃綠色熒光粉發(fā)出的黃綠光組成白光，也可與發(fā)出的發(fā)光峰值在650nm的紅光和發(fā)光峰值在540nm的綠光組成白光。為了獲得高的轉換效率，熒光粉的激發(fā)光譜的峰值應在470nm附近，與藍色LED的發(fā)光峰值相近。

為了提高半導體高功率白光LED器件發(fā)光效率和散熱效果，可采用倒裝InGaN(藍)芯片結構，以及在芯片周?chē)糠鬅晒夥?。為了提高光的均勻性，需要將熒光粉均勻地涂敷在芯片的周?chē)?。對于這樣的產(chǎn)品，實(shí)驗已證明，電流和溫度的增加會(huì )使LED的光譜發(fā)生藍移和紅移，但對熒光光譜影響并不大。壽命試驗結果也較好，φ5的白光LED在工作1．2×104h后，光輸出才會(huì )下降至80％，而這種功率LED最高效率可達到44．3lm·W-1，最高光通量為l 87lm，產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品120Im，Ra為75～80。目前，國內外制作白光LED的方法是先將LED芯片放置在封裝的基片上，用金絲進(jìn)行鍵合，然后在芯片周?chē)糠骙AG熒光粉，再用環(huán)氧樹(shù)脂包封。樹(shù)脂既起保護芯片的作用又起到聚光鏡的作用。從LED芯片發(fā)射出的藍色光射到周同的熒光粉層內經(jīng)多次散亂的反射、吸收，最后向外部發(fā)出。LED(藍)的光譜線(xiàn)的峰值在465nm處，半值寬為30nm，是非常尖銳的藍色光譜。LED發(fā)出的部分藍色光激發(fā)黃色的YAG熒光粉層，使其發(fā)出黃色光(峰值為555nm)，一部分藍色光直接或反射后向外發(fā)出，最終達到外部的光為藍黃二色光。根據補色關(guān)系，兩色光相混后即可得到白光。

美國LumiLeds公司在2001年研制出了A1GaInN功率型倒裝片結構 LED(FCLED)，具體做法是：第一步，在P型外延層上沉積厚度大于50nm的NiAu層，用于歐姆接觸和背反射；第二步，采用掩模選擇刻蝕P型層，露出多量子阱N型有源區；第三步，沉積、刻蝕形成N型歐姆接觸區。芯片尺寸為1mmxlmm，P型歐姆接觸區為正方形，N型歐姆接觸區為梳狀形，這樣可以減小電阻。第四步，將帶有金屬化凸點(diǎn)的A1GaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護二極管(ESD)的硅載體上。美國Cree公司是采用SiC襯底制造 A1GaInN超亮度LED的全球唯一廠(chǎng)家，近年來(lái)A1GalnN／SiC芯片結構不斷改進(jìn)，亮度不斷提高。在這種結構中，P型和N型電極分別在芯片的頂部和底部，采用單線(xiàn)鍵合，加工方便，因而成為A1GalnN LED發(fā)展的另一主流。

目前，在LED行業(yè)，LED 芯片通常是用銀漿安裝在銅基或銀基熱沉上，再將熱沉安裝在鋁基散熱器上。芯片產(chǎn)生的熱通過(guò)高導熱率的銅或銀熱沉傳遞到鋁基散熱器上，再由鋁基散熱器將熱散出(通過(guò)風(fēng)冷或熱傳導方式散出)。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是：充分考慮散熱器的性?xún)r(jià)比，將不同的散熱材料結合在一起實(shí)現高效散熱，并且成本控制合理。但是，值得注意的是：連接芯片和熱沉的材料是十分重要的。當采用銀漿作為芯片安裝材料時(shí)，由于銀漿的導熱系數為10 W·m-1K-1～25W-m-1K-1，較低，就等于在芯片和熱沉之間加了一道熱阻。另外，銀漿固化后的內部基本結構為：環(huán)氧樹(shù)脂骨架+銀粉。這樣的結構熱阻高且Tg低，對器件的散熱與物理特性穩定極為不利。我們解決此問(wèn)題的做法是：用錫片作為芯片與熱沉之間的連接材料(錫的導熱系數為67 w·m-1K-1)。因為錫的導熱效果與物理特性遠優(yōu)于銀漿，從而可獲得較為理想的散熱效果(錫的熱阻約為1 6 ℃·W-1)。

2 ESD靜電保護

我們實(shí)測發(fā)現，以SiC為襯底的InGaN抗ESD能力(人體模式)可達1 100V以上。而一般以藍寶石A1203為襯底的InGaN抗ESD僅能達到400V～500V(不同廠(chǎng)牌產(chǎn)品之綜合結果)。如此低的抗．ESD能力會(huì )給LED燈封裝廠(chǎng)商和下游電子應用廠(chǎng)商帶來(lái)極大的不便。從同業(yè)相關(guān)資料得知，每年電子組件制造商因靜電防護問(wèn)題造成的損失十分驚人，在裝配與消費者使用過(guò)程中都有一定的損失產(chǎn)生。我們知道，以SiC為襯底的InGaN比以藍寶石A10203為襯底的InGaN在抗靜電方面有一定的優(yōu)勢，但也不能本解決抗靜電問(wèn)題。我們發(fā)現，如果在大功率LED器件的芯片周?chē)尤肟笶SD二極管，就可以將抗靜電能力提高到8500V以上，這樣就可以解決不同層面電子制造商的靜電損失問(wèn)題。

3 白光LED封裝技術(shù)

3．1 白光LED主要技術(shù)性能指標

白光LED的主要技術(shù)性能指標如表l所示。

經(jīng)試驗測得當Tg=25℃時(shí)，電流／溫度／光通量關(guān)系如圖l～圖3所示。

從電流／溫度／光通量關(guān)系圖可得知，散熱對于功率型LED器件是至關(guān)重要的。如果不能將電流產(chǎn)生的熱量及時(shí)散出，保持PN結的溫度在允許范圍內，就無(wú)法獲得穩定的光輸出和維持正常的器件壽命。從表2可得知，在常用的散熱材料中銀的導熱率最好，但是銀散熱板的成本較高不適宜做通用型散熱器。而銅的導熱率比較接近銀，且其成本較銀低。鋁的導熱率雖然低于銅，但勝在綜合成本最低，有利于大規模制造。采用芯片的倒裝技術(shù)(Flip Chip)可以得到比傳統的LED芯片封裝技術(shù)更多的有效出光。但是，如果不在芯片的發(fā)光層的電極下方增加反射層來(lái)反射出浪費的光能，則會(huì )造成約8％的光損失。所以底板材料上必須增加反射層。芯片側面的光也必須利用熱沉的鏡面加以反射，增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍寶石襯底(Sapphire)與環(huán)氧樹(shù)脂導光結合面間應加上一層硅膠材料以改善芯片出光的折射率。經(jīng)過(guò)上述光學(xué)封裝技術(shù)的改善，可以大幅度的提高大功率LED器件的出光率(光通量)。大功率LED器件的頂部透鏡之光學(xué)設計也是十分重要的，常用的透鏡形狀有j凸透鏡、凹錐透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡、組合式透鏡等。透鏡與大功率LED器件的封裝最好采取氣密性封裝，如果受透鏡形狀所限也可采取半氣密性封裝。透鏡材料應選擇高透光的玻璃或壓克力等合成材料。也可以采用傳統的環(huán)氧樹(shù)脂模壓式封裝，加上二次散熱設計也基本可以達到提高出光率的效果。

3．2 白光LED封裝技術(shù)

R12ll系列是采用CMOS工藝生產(chǎn)的低功耗、具有電流控制功能的開(kāi)關(guān)式升壓轉換器。外圍電路簡(jiǎn)單，只需一個(gè)電感、一個(gè)二極管、一個(gè)場(chǎng)效應管和幾個(gè)電阻電容。輸入電壓范圍是2．5V～5．5V，匹配單節鋰離子電池或普通干電池組。芯片內部為PWM調制方式，可以產(chǎn)生高達15V的輸出電壓，足夠驅動(dòng)3個(gè)串聯(lián)LED。其使用材料的熱性能情況見(jiàn)表2。

3．3 封裝工藝流程

其封裝工藝流程一般為：固晶→白膠烘烤→配熒光粉→焊線(xiàn)→點(diǎn)熒光粉→熒光粉烘烤→封膠→沖筋→點(diǎn)白膠→二切→ 三切→電性測試→分光分色→包裝。

用芯片篩選機挑選波長(cháng)一致及亮度高的芯片進(jìn)行投產(chǎn)，自動(dòng)點(diǎn)膠機解決因人工點(diǎn)膠不均勻而造成偏色現象，自動(dòng)同品機解決因人工固晶角度偏移、傾斜而造成發(fā)光角度、聚光點(diǎn)偏移。自動(dòng)焊線(xiàn)機解決金球大小不一、拉力不穩定、松焊現象。自動(dòng)分光分色機精選其VF、 IV、λd等，挑選出發(fā)光顏色一致的產(chǎn)品。

4 結語(yǔ)

芯片倒裝技術(shù)可以得到比傳統的LED芯片封裝技術(shù)更多的有效出光。但是如果不在芯片的發(fā)光層的電極下方增加反射層來(lái)反射出浪費的光能，則會(huì )造成約8％的光損失。所以底板材料上必須增加反射層。芯片側面的光也必須利用熱沉的鏡面加以反射，增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的